飛輪抗阻訓練對老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力影響的Meta分析

王皎琴，傅鴻浩，張 強，張 明

跌倒是導致老年人傷殘、失能和死亡的重要原因之一。有研究報道，大約30%的社區老年人每年至少發生一次跌倒事故，其中50%的老年人反復發生跌倒［1-2］。老年人跌倒的致因很復雜，涉及多種內在因素（肌肉力量、平衡能力降低、骨質疏松、肌肉減少等）和外在因素（環境）［3］，但最為核心的是增齡引起的肌肉力量下降［4-5］、肌肉萎縮和平衡能力減弱［5-6］。運動干預可有效預防老年人跌倒［7-9］。

雖然傳統抗阻訓練（通常涉及自由重量和負重片器械［10］）已廣泛用于預防老年人跌倒［8-11］，但傳統中等強度抗阻訓練通常不會改善老年人的平衡能力［7］。這其中的原因可能是傳統中等強度抗阻訓練無法提供足夠的與平衡控制相關的神經肌肉刺激［12］。傳統的高強度抗阻訓練可較好地增加肌肉質量和力量素質，以及神經對肌肉的控制能力，以增強平衡所需的刺激［13-15］，但其造成的心血管壓力和機體代謝壓力較大。相較而言，老年人更適合離心抗阻練習，這是因為離心抗阻訓練對老年人的機體代謝、神經和心血管產生的壓力較小［16］，感知努力減少［17］。此外，研究還表明，老年人的離心收縮力量隨年齡的增長而下降的幅度較小［18］。鑒于離心抗阻訓練能使老年人產生更高水平的力量和爆發力，建議通過離心超負荷訓練來幫助老年人改善肌肉質量和力量素質，進而提高平衡能力和運動功能表現，預防跌倒［19］。

飛輪抗阻訓練（flywheel resistance training,FRT）是一種典型的離心超負荷訓練（見圖1）。FRT通過飛輪訓練器轉動產生阻力來進行訓練。其設計原理類似于悠悠球［20］，訓練時可產生更大的離心超負荷［21-22］。當前，FRT在老年人群中的應用效果存在差異。有研究表明，FRT可顯著改善老年人下肢骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力［23-25］，而其他研究則發現，FRT對老年人肌肉適應性和功能改善并未出現顯著性差異［26-27］。這可能是由于FRT對老年人肌肉適應性和平衡能力的改善作用因訓練時間、方法設計的不同而產生的差異。與此同時，這些研究的結局指標相對單一，研究樣本量較少，且FRT對老年人肌肉適應性和平衡能力的訓練效果存在不確定性。基于此，本研究旨在系統綜述老年人FRT相關文獻的基礎上，探討FRT對改善老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力的效果，為提升和保持老年人肌肉健康水平以及平衡能力的進一步研究提供參考。

圖1 為YoYoTM的Hooper’s Box（215型）的飛輪深蹲［28］

1 研究方法

1.1 文獻檢索

文獻檢索數據庫包括：Web of Science、Pubmed、Cochrane library、SportDiscus、Scopus、中國知網、萬方數據庫。英文數據庫以“flywheel”or“flywheel resistance”or“flywheel device”or“flywheel training”or“flywheel overload training”or“inertial training”or“inertial resistance”or“inertial exercise”or“isoinertial training”or“accentuated eccentric”or“isoinertial exercise”or“isoinertial resistance”or“older”or“elderly”or“old”等為檢索詞；中文數據庫以“飛輪抗阻訓練”“飛輪訓練”“離心超負荷訓練”“等慣性訓練”為檢索詞，在各數據庫中進行混合檢索。檢索時間為從數據庫建庫開始到2021年11月。收集所有關于FRT對老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力影響的中英文文獻。

1.2 納入與排除標準

1.2.1 研究設計

所選研究為隨機對照試驗(randomized controlled trial，RCT)、臨床對照試驗(clinical controlled trial，CCT)或類實驗（quasi experiment，QE）。

1.2.2 研究對象

無慢性疾病、關節損傷的60歲及以上的健康老年人。

1.2.3 干預措施

實驗組為FRT；對照組保持常規活動或其他運動干預。當對照組與實驗組基線不一致時，提取進行FRT的老年人自身訓練前后對照的相關數據。

1.2.4 結局指標

選擇能反映肌肉力量、骨骼肌肌肥大、平衡能力的相關指標。肌肉力量指標包括：等速肌力、最大自主隨意收縮（maximum voluntary contraction,MVC）；骨骼肌肌肥大指標包括：肌肉厚度、肌肉生理橫斷面積；平衡能力指標包括：30 s坐立起測試（30 s Sit to Stand，30 s STS）、計時起立—走測試（Timed Up and Go，TUG）。

1.2.5 排除標準

1）不符合納入標準的文獻；2）綜述類文獻；3）非中英文文獻；4）結局指標數據不全，導致數據不能提取的文獻。

1.3 文獻篩選與資料提取

1.3.1 文獻篩選

將各個數據庫檢索到的相關文獻導入文獻管理軟件進行去重處理。由2位研究人員按照納入和排除標準采用獨立雙盲的方式對文獻進行篩選。先閱讀標題和摘要以及鑒別文獻類型，對文獻進行初步剔除，得到合格的文獻后下載全文并進行全文篩選。篩選結束后，2位研究人員將提取的文獻進行比對，若有分歧，則與第3位研究人員共同討論決定是否納入。

1.3.2 資料提取

對符合納入標準的文獻進行獨立提取，用事先設計的資料提取表格提取信息。內容包括：1）基本資料，主要為第一作者、發表年限；2）研究特征，主要為樣本量、研究對象（年齡、性別）、干預內容、干預時間、干預頻率和干預周期；3）結局指標，主要為肌肉力量、骨骼肌肌肥大和平衡能力的指標。

1.4 統計分析

運用“ReviewManager 5.3”軟件制作文獻篩選圖以及相關的統計學處理，并用“PEDro”量表評估納入文獻的偏倚風險。納入文獻的結局指標屬于連續型變量，由于測試人員、儀器、手段、方法以及測試指標單位等存在不一致，為避免研究差異導致的報告誤差偏大，選擇標準均數差（SMD），各效應量均給出其點估計值和95%的置信區間（95%CI）。采用的統計模型根據納入研究間的異質性而定。同質性檢驗（即Q檢驗，檢驗水準為a=0.1）為χ2檢驗。當p＜a時，表明研究間存在異質性；當p≥a時，則認為各研究間是同質的。納入研究間的異質性程度采用p值和I2進行定量分析，I2代表各研究間的異質水平，取值范圍為0～100%。當I2≤50%且p＞0.10時，可認為各研究間異質性較低，采用固定效應模型進行Meta分析；當I2＞50%或p＜0.10時，可認為各研究間存在異質性，采用隨機效應模型進行Meta分析。同時根據Cohen的解釋，效應量≤0.2為微小效應量、效應量在0.2～0.5為小效應量、效應量在0.5～0.8為中等效應量，效應量≥0.8為大效應量［29］，將Meta分析的檢驗水準設為p＜0.05。

2 研究結果

2.1 文獻檢索結果

通過檢索各數據庫，獲得文獻1 285篇，通過其他途徑手工檢索到3篇，共1 288篇。導入文獻管理軟件去除重復文獻后，共收錄831篇文獻。在閱讀標題和摘要以及區分文獻類型的基礎上剔除778篇文獻，剩余53篇文獻，在進一步閱讀全文基礎上再剔除43篇文獻，最終納入定性文獻為10篇，文獻篩選流程如圖2所示。

圖2 文獻篩選流程示意圖

2.2 納入本研究文獻的基本特征

本研究共納入文獻10篇，其中，7篇為RCT，3篇為QE。納入文獻均報告了實驗組和對照組的樣本量，但有1篇文獻未顯示具體的受試者性別數量［30］。共納入受試者249名，其中實驗組129名、對照組120名，受試者平均年齡介于64～76.7歲之間。本研究納入的文獻中有6篇文獻中的實驗組干預內容包括飛輪深蹲［23-24,26-27,31-32］；3篇文獻中的實驗組干預內容包括膝關節屈伸［25,30,33］;2篇文獻中的實驗組干預內容包括提踵［27,31］；僅1篇文獻中實驗組干預內容涉及到硬拉［26］。有5篇文獻中的對照組干預內容包括保持常規活動［23-24,27,31,34］；1篇文獻包括固定器械膝關節屈伸［25］、杠鈴深蹲［26］、壺鈴深蹲［32］；2篇文獻包括自行車運動［30,33］。練習動作的重復組數集中在4組、重復次數集中在6～12次、干預頻率介于2～3次/周、干預周期介于6～13周。納入文獻的詳細特征見表1。

表1 納入文獻的基本特征

2.3 納入文獻的偏倚風險評估

本次研究采取物理治療證據數據庫(physio-therapy evidence database，PEDro)量表［35-36］，對所有納入文獻進行了偏倚風險評估。“PEDro”量表共由11個題目組成，除第一題不計入總分以外，其余每題各記1分，共計10分（凡是得分≥6分的研究文獻即認為其質量較高）。其中，9～10分為高質量文獻、6～8分為較高質量文獻、4～5分為一般質量文獻、低于4分為低質量文獻［37］。本次納入的10篇文獻中，較高質量的文獻有7篇，一般質量的文獻3篇，納入被試條件明確，研究采取盲法的文獻較少，研究文獻的方法學質量較高（見表2）。

表2 納入文獻的PEDro得分

2.4 FRT對老年人骨骼肌肌肥大的影響

有4篇文獻共納入8項相關研究［27,30-31,33］比較了FRT對老年人骨骼肌肌肥大的影響。同一篇文獻中，當同一個結局指標有多種測試手段的數據進行比較時，將其視為多項研究。如圖3所示，此8項研究之間無異質性(I2=0%，p=0.98)，運用固定效應模型進行分析。Meta分析結果顯示，合并效應量（SMD=0.43，95%CI為［0.13，0.73］，p=0.006）的結果差異有顯著性。根據Cohen的解釋，SMD為0.43，為小效應量［29］，說明與對照組相比，FRT能夠改善老年人的骨骼肌肌肥大。

圖3 FRT對老年人骨骼肌肌肥大影響的Meta分析結果

2.5 FRT對老年人肌肉力量的影響

有5篇文獻共納入7項相關研究［24,26,30,33-34］，比較了FRT對老年人下肢等速肌力的影響。如圖4所示，此7項研究之間具有中度異質性(I2=57%，p=0.03)，運用隨機效應模型進行分析。Meta分析結果顯示，合并效應量（SMD=0.66,95%CI為［0.18，1.14］，p=0.007）的結果差異有顯著性。根據Cohen的解釋，SMD為0.66，為中等效應量［29］，說明FRT能夠在一定程度上有效改善老年人的下肢等速肌力。

圖4 FRT對老年人等速肌力影響的Meta分析結果

有4篇文獻共納入5項相關研究［25-26,30,33］，比較了FRT對老年人MVC力量的影響。如圖5所示，此5項研究之間具有中度異質性(I2=61%，p=0.04)，運用隨機效應模型進行分析。Meta分析結果顯示，合并效應量（SMD=0.71,95%CI為［0.09，1.32］，p=0.02）的結果差異有顯著性。根據Cohen的解釋，SMD為0.71，為中等效應量［29］，說明FRT能夠在一定程度上有效改善老年人下肢MVC力量。

圖5 FRT對老年人最大隨意收縮力量影響的Meta分析結果

2.6 FRT對老年人平衡能力的影響

有6篇文獻共納入6項相關研究［24,26-27,31-32,34］，比較了FRT對老年人30 s STS測試成績。如圖6所示，此5項研究之間無異質性（I2=0%，p=0.47），運用固定效應模型進行分析。Meta分析結果顯示，合并效應量（SMD=0.69,95%CI為［0.35，1.04］，p＜0.000 1）的結果差異有顯著性。根據Cohen的解釋，SMD為0.69，為中等效應量［29］，說明FRT在一定程度上能夠有效改善老年人30 s STS測試成績。

圖6 FRT對老年人30 s坐立起測試結果影響的Meta分析結果

有4篇文獻共納入4項相關研究［23,27,31-32］，比較了FRT對老年人坐立起走測試。如圖7所示，此4項研究之間無異質性(I2=0%，p=0.43)，運用固定效應模型進行分析。Meta分析結果顯示，合并效應量（SMD=-0.92，95%CI為［-1.35，-0.49］，p＜0.000 1）的結果差異有顯著性。根據Cohen的解釋，SMD的絕對值為0.92，為大效應量［29］，說明FRT能夠非常有效地改善老年人TVG測試成績。

圖7 FRT對老年人計時起立-行走測試結果影響的Meta分析結果

3 討論

3.1 FRT對老年人骨骼肌肌肥大與肌肉力量影響的分析

本研究結果顯示，FRT對老年人的骨骼肌肌肥大和肌肉力量改善效果顯著。骨骼肌肌肥大是指肌肉大小的增加伴隨著肌原纖維蛋白的增加,可通過肌肉生理橫斷面積或肌肉體積來描述［38］。骨骼肌肌肥大主要表現為肌肉形態學適應，即肌原纖維增粗和肌纖維數量的增加，從而引起單個肌纖維橫斷面積，乃至整塊肌肉橫斷面積增加。其他形態學適應還包括肌纖維類型、羽狀角、肌絲密度以及結締組織和肌腱結構的變化［39］。本研究中的肌肉力量是指最大肌力，即人體肌肉最大隨意收縮時表現出來的最高力值［40］，常用等速肌力和MVC測量。研究表明，肌肥大與肌肉力量呈正相關［41］。一方面，肌肉體積或肌肉橫斷面積的增加，可提高肌肉產生力的能力，為肌肉后期最大力量訓練階段提供良好的結構和功能基礎［41］。另一方面，肌肉力量增加可提高肌纖維蛋白合成能力，擴大肌肉生理橫斷面積［42］。

FRT對老年人的骨骼肌肌肥大和肌肉力量的改善效果與前人的相關研究一致［43-44］。Fernandez等對32名老年中風患者進行為期12周、每周2次的飛輪舉腿干預訓練。干預結束后，發現干預腿的股四頭肌肌肉生理橫斷面積增加8.2%；股四頭肌肌肉體積增加9.4%，MVC力量增加19.8%；對照組肌肥大和肌肉力量無顯著變化［43］。同樣，Seynnes等對7名健康男性進行為期35 d的飛輪抗阻訓練，每周干預3次，每次做4組，重復7次的膝關節伸展運動。干預3周后，被試股四頭肌中央和遠端肌肉生理橫斷面積分別增加3.5%和5.2%，35 d后股四頭肌中央和遠端肌肉生理橫斷面積分別增加5.4%～7.6%和6.6%～8.2%，MVC力量增加了33.2%～44.6%［44］。

有研究認為，與向心收縮相比，離心收縮是促進肌肉肥大和力量生長最有效的刺激因素［45-46］。一方面,飛輪離心訓練器可為訓練者提供離心超負荷訓練，這是因為在使用飛輪訓練器進行訓練時，向心階段與離心階段產生的沖量由力和時間2個因素決定，即I=Ft。因此，離心階段，人體只需用較短的時間（即較小動作范圍內）就能抵抗向心階段產生的沖量，這樣在離心階段便可產生更大的負荷，即離心超負荷［21-22］（指訓練過程中施加在離心階段的負荷強度大于向心階段），使人體承受更大的負荷，募集更多的運動單位［21］。另一方面，飛輪離心訓練器可產生適應性阻力，根據訓練者的疲勞情況不斷變化阻力的大小，其產生的阻力與訓練者的發力程度呈正比［47］，使每次訓練都能為訓練者提供所能完成的最大負荷。此外，相比于傳統訓練方式，飛輪離心訓練可以在每一次訓練的向心階段都募集更多的運動單位［21］。在傳統抗阻訓練中，向心階段肌肉在不同關節角度下克服阻力的大小有所不同，肌肉黏滯點處所克服的最大阻力決定了肌肉向心階段的最大負荷［10］，導致肌肉只能在每組訓練的最后一次動作的黏滯點處達到最大募集，而其他動作環節處于次激活狀態。同時，傳統抗阻訓練的負荷是根據向心階段肌肉收縮克服的阻力來確定的，使離心階段的負荷受到向心收縮能力的限制［48］。由于肌肉離心收縮產生的力比向心收縮大［49］，所以這種由向心階段肌肉收縮克服阻力的能力而確定的訓練負荷［50-52］，無法在離心階段為肌肉提供足夠大的負荷強度（有研究表明，這種傳統訓練方式只能提供最大離心負荷的40%～50%［53］），因此，不能引起肌肉最大程度地激活。相比之下，FRT因其適應性阻力和離心超負荷的特點，可克服傳統抗阻訓練方式中向心階段低激活、離心階段負荷不足的缺陷，能激活更多的運動單位、增加神經沖動頻率、運動單位同步化、改善肌肉內和肌肉間的協調性［54］、增加肌纖維長度和改變羽狀角大小［55］，從而使肌肉力量和肌肥大增加。此外，一方面，FRT以非常低的代謝成本進行，這是因為完成一個離心動作所需要的能量僅為同一周期中向心階段所需能量的20%［56］。另一方面，飛輪訓練的離心超負荷對代謝需求增加，促使蛋白質合成增加，從而使肌肥大和肌肉力量增加［57］。FRT對骨骼肌肌肥大的改善還可能與該訓練引起的延遲性肌肉酸痛有關。有研究發現，在進行9周向心—離心膝伸肌群的抗阻訓練后，老年人組股外側肌肌節受損程度高達17%，但年輕人組只有2%～5%［58］。如果想通過運動達到有效刺激肌肉肥大及提升運動表現的目的，需由離心收縮誘發肌肉細微損傷，得以有效刺激衛星細胞參與損傷修復過程，從而達到明顯的訓練效果。

3.2 FRT對老年人平衡能力影響的分析

TUG測試在設計之初是用于測試老年人日常生活所需的平衡、步行等功能性移動的能力［59-60］，是目前測試老年人動態平衡能力的“金標準”［61］。而30 s STS既可以反映老年人下肢肌肉力量，也可以在一定程度上反映平衡能力［62］。雖然前人研究已證明下肢力量與站立坐起（sit to stand，STS）表現之間的相關關系［63-65］，但將STS測試僅作為下肢肌肉力量的測量方法［66］受到質疑，且已有研究證明STS測試可以評估老年人的下肢功能和力量以及平衡控制［67］。而且研究已證明30 s STS與FAB平衡量表評分具有顯著的中度至良好的相關性，可以評估不同感官條件下的靜態和動態平衡［68］，能夠檢測平衡能力隨時間的變化情況［69］。

眾所周知，導致老年人跌倒的因素較多，其中骨骼肌肌肥大、下肢肌力和平衡能力下降是最主要的因素［70］。本研究表明，FRT后老年人的骨骼肌肌肥大和力量素質有顯著改善，TUG測試和30 s STS測試也有顯著改善。該研究結果與前人相關研究一致。Onambele等人將24名年齡為(70±1.3)歲的老年人，隨機分配到飛輪膝關節伸展訓練組和對照組，訓練為期12周，發現僅飛輪組的膝關節伸展力增加，平衡能力改善［25］。Naczk等人的研究也表明，FRT訓練可明顯改善老年人上下肢肌力，使其平衡和步態穩定性提高［34］。Hill等也發現，FRT訓練可使老年人肌肉質量和厚度顯著增加，身體功能明顯改善［31］。Leszczak等研究了為期8周的離心運動對老年人身體功能的影響，在干預后，步行速度（ES=0.31）、8英尺TUG測試（ES=0.29）和30 s STS（ES=0.48）有所改善［71］。Raj等和Gault等的研究同樣發現離心訓練能改善老年人步行速度（ES=0.62;ES=0.31）［72-73］，與Dias等在6 m步行測試和椅子上升測試的研究結果相似［74］。以上研究均表明，離心運動對改善與老年人日常生活活動相關的身體素質有積極作用。

平衡能力的變化與骨骼肌肌肥大和力量的增加顯著相關［23,75］。在身體控制過程中，肌肉是將身體各部分移動到適當位置的唯一能量來源，面對外界干擾時，中樞神經系統會對軀干和腿部肌肉的活動進行主要的調整［76］。有研究顯示，大腿和核心區肌肉厚度與動態平衡能力呈正相關，與跌倒風險呈負相關［77］。下肢肌肉力量有利于外周神經維持身體平衡［78-80］。股四頭肌和髖關節周圍肌群力量減弱會導致老年人在伸膝過程中出現無力現象，增加跌倒風險［81］。與沒有跌倒經歷的老年人相比，有跌倒經歷的老年人踝關節趾屈、背伸肌力量顯著下降［82-83］。本研究表明，FRT使老年人肌肥大和肌肉力量顯著改善，進而促進其平衡能力出現相應的改善。此外，FRT對老年人平衡能力的改善，還可能與肌腱剛度增加有關［84］。Onambele等研究發現，飛輪組和對照組的腓腸肌肌腱剛度分別增加136%和54%（p＜0.01），肌腱剛度的較大增加與姿勢平衡的改善有關（p＜0.01）［25］，而這種肌腱剛度的增加可能更多地來源于肌肉收縮的被動元件。根據Roig等的觀點，老年人離心收縮力保持機制，涉及調節肌肉剛度的被動和主動元件，老年人肌肉被動剛度的增加和非收縮性蛋白質的積累，可為其在進行離心收縮時提供更高的機械優勢［85］。可見，老年人離心收縮力下降幅度低于向心收縮力，是由于肌肉被動剛度的增加［85-87］。肌肉被動剛度的增加，對老年人平衡能力的改善也有一定的促進作用。

3.3 研究局限

目前，針對FRT在老年人群中的訓練劑量問題缺乏進一步深入的研究。在訓練強度方面，本次納入的研究采用的慣性從0.025 kg·m2到0.075 kg·m2，均取得了良好的訓練效果，而運動人群的肌肉慢性適應和運動能力改善的慣性范圍在0.05～0.11 kg·m2［88］。有研究證明，飛輪訓練期間使用較低的慣性［89-90］或較高的運動速度［91］會產生更大的肌肉力量增益效果，且較低的慣性（0.01～0.2 kg·m2）更容易出現離心超負荷現象［92］，可見，飛輪訓練期間的慣性使用問題還存在較大爭議。在訓練量方面，Onambele等表明，漸進式負荷策略（1組×8次到4組×12次）可能更適合體弱、病患或老年參與者［25］，Spudic＇等同樣也采用了漸進式負荷策略［32］。因為漸進式負荷訓練可以有效減少劇烈的離心運動所引起的負面影響，例如肌肉酸痛的現象［93］。但是Sa?udo等在其研究中采用的是4組×7次和4組×9次的固定負荷策略［23-24］，因此，漸進式（逐漸增加重復次數和組數）和固定負荷策略，究竟哪種對老年人群的慢性適應更有益，目前尚不明確。在訓練內容干預方面，盡管有證據表明，飛輪訓練的不同訓練動作均可出現離心超負荷［94］，但不同訓練動作對身體刺激存在明顯差異。Sa?udo等的研究認為，與腿部伸展訓練相比，使用仰臥下蹲更能改善老年人的平衡能力。具體而言，髖外展肌、內收肌和踝關節跖/背屈肌對人的平衡能力有很大影響，并且無法通過單一關節的訓練動作（例如腿部伸展）來改善這些肌群［23］。該研究模仿坐立時的下蹲動作，表明其對改善老年人的身體功能至關重要，因為該動作與肌肉力量和進行日常生活活動的能力有關［95］。但仍需進一步研究，以確定單關節動作和多關節動作對老年人身體素質和平衡能力造成差異的背后機制。故關于FRT在老年人群中的應用還需在研究的深度和廣度上進一步加強。

4 結論

本研究證實了飛輪抗阻訓練能夠有效改善老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力，但是關于飛輪抗阻訓練對老年人骨骼肌肌肥大和肌肉力量以及身體功能的影響在最佳慣性負荷、運動形式、負荷量以及干預周期等方面仍需進一步探究。建議在今后的研究中進行多中心、大樣本和長期的隨機對照試驗，從而為臨床提供更加可靠的循證依據。